本文介绍了一种用于设计和构建与小型气候可控风洞相连的土壤槽的方案，以研究大气强迫对蒸发作用的影响。该土壤槽和风洞均配备了传感器技术，可对环境条件进行连续的原位（in situ）测量。
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摘要
摘要
蒸发直接受大气、地表和土壤地下部分之间相互作用的影响。本研究旨在通过实验手段，在多种地表边界条件下研究蒸发过程，以增进我们对这一多相现象的当前理解和表征，并验证耦合大气中纳维-斯托克斯流与多孔介质中达西流的数值传热与传质理论。实验数据是利用一种独特的土壤槽装置与小型气候可控风洞连接而成的系统采集的。该实验装置配备了一系列先进的传感器技术，可连续、自主地采集土壤含水量、土壤热特性、土壤和空气温度、相对湿度以及风速等参数。该实验系统可用于在高度受控的边界条件下生成数据，从而在感兴趣的空间尺度上实现更精确的控制和数据采集，而这些条件在野外实验中难以实现。在土壤表面施加若干不同风速的气流，导致在不同蒸发阶段中出现独特的传热与传质行为。
引言
理解陆地与大气之间的相互作用对于认识当前诸多全球性问题至关重要，例如地质封存的二氧化碳在土壤中的泄漏、气候变化、水资源与粮食供应、地雷的精确定位，以及地下水和土壤的修复。此外，驱动全球和区域气象条件的主要热量与水分交换发生在地球表面。许多天气和气候现象（例如，飓风，厄尔尼诺ñ干旱 等。主要由与大气-陆面相互作用相关的过程驱动1由于地球超过一半的陆地表面为干旱或半干旱地区2-4，准确描述这些地区大气与地表之间热量和水分交换基础上的水循环过程，对于增进我们对上述问题的理解至关重要，尤其是在易受长期干旱和荒漠化影响的地区。然而，尽管已有数十年的研究，当前对浅层地下环境与大气之间相互作用机制的认识仍存在诸多知识空白。5.
涉及液态水、水蒸气和热量在土壤中的传输过程是动态的，并且在与土壤的相互作用以及施加的边界条件方面具有强烈的耦合性（即温度、相对湿度、热辐射）等因素。数值传热与传质模型通常会过度简化或忽略其中许多复杂性，部分原因在于缺乏高时间分辨率和高空间分辨率的观测数据，导致现有理论难以得到充分验证与改进。用于模型验证的数据集往往缺少关键的大气或地下信息，无法有效检验相关理论，从而造成数值模型未能准确反映重要过程，或依赖于一些物理意义不明确、需在模型中进行调整或拟合的参数。尽管这种方法因简单易用而在某些应用中表现出一定价值，但通过在瞬态条件下开展受控性良好的实验，深入理解这些“集总参数化”方法背后的物理机制，仍可显著提升模型的准确性与可靠性。6.
在实验室中进行严谨的实验可生成高精度的数据集，这些数据随后可用于验证数值模型。野外场地获得的数据往往不完整且获取成本高昂，而在某些情况下，要深入理解相关过程并生成用于模型验证的数据，所需的控制程度可能难以实现。对土壤蒸发等自然现象开展实验室研究，可以精确控制大气条件（例如，温度、相对湿度、风速）和土壤条件（例如，土壤类型、孔隙率、填装结构）。目前许多用于研究土壤蒸发以及土壤热学和水力特性的实验室技术依赖于破坏性取样7-10。破坏性取样方法需要将土壤样品拆解以获取点数据，这不仅无法测量瞬态行为，还会破坏土壤的物理性质，从而在数据中引入误差和不确定性。相比之下，非破坏性测量方法（如本文所介绍的方法）能够更准确地测定并研究土壤特性与过程之间的相互依赖关系11。
本研究旨在开发一种土壤箱装置及相应实验方案，用于获取高空间和时间分辨率的数据，以探究大气与地下条件变化对裸土蒸发影响的规律。为此，本实验将一个可维持恒定风速和温度的小型风洞与土壤箱装置相连接。风洞和土壤箱均配备了一系列先进的传感器技术，实现数据的自主连续采集。风速通过安装在压力变送器上的不锈钢皮托管测量；大气中的温度和相对湿度采用两种不同类型的传感器进行监测，同时在土壤表面也对相对湿度和温度进行监测；地下部分的传感器用于测量土壤含水量和温度。通过称量土壤箱装置的重量变化，结合水量平衡法确定蒸发量。为验证该实验装置与方案的适用性，本文展示了一个在不同风速条件下裸土蒸发的示例。实验所用土壤箱均匀填充一种性质明确的砂土，初始状态为完全饱和，并在严格控制的大气条件下自由蒸发即 温度、风速
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方案
注意：实验室测试采用一个二维小尺度土槽，并与气候可控的风洞装置相连接。该小尺度土槽和风洞均配备了多种传感器技术。以下方案将首先讨论土壤槽的构建与准备，随后介绍风洞及其相关仪器设备的配置。土槽尺寸、风洞尺寸、传感器数量及传感器技术类型均可根据特定实验设置的需求进行调整。下述方案曾用于实验研究风速对裸土蒸发的影响。
1. 多孔介质土壤箱的构建与准备
- 将一块厚度为1.2 cm的亚克力玻璃切割成五块独立的板片，组装成一个顶部开口的土壤槽，其内部长度、宽度和高度分别为25 cm、9.1 cm和55 cm。亚克力玻璃可使地下过程实现可视化观察。
- 在两块较大的玻璃板（长25 cm，高55 cm）上分别绘制一个25 cm × 25 cm的5 × 5网格，如图1所示。确保网格中每个方格的面积为25 cm2（图1）。该网格将用于在土壤槽内合理布设传感器。
图1：实验装置所用土壤箱的示意图（正面和侧面视图，尺寸单位为厘米）。（a）土壤箱的正面视图，显示由25个5 cm × 5 cm方格组成的网格系统。（b）土壤箱的侧面视图，显示按深度分布安装的温度、相对湿度和土壤水分传感器网络。请注意，示意图未按比例绘制。
- 在其中一块大玻璃板上，总共钻出二十五个直径为1.9 cm（¾英寸）的孔，用于安装土壤水分传感器。
- 在步骤1.2中建立的每个网格方格的中心位置钻孔，使相邻两个方格中心之间的距离为5 cm；第一排孔位于水箱顶部下方2.5 cm处。使用合适尺寸的丝锥在每个新钻的孔中攻出螺纹。传感器之间5 cm的间距可确保每个传感器均位于相邻最近传感器的采样范围之外。
- 同样地，在步骤1.2中形成的每个网格单元中心位置，钻并攻出总共二十五个直径为0.635 cm（¼英寸）的孔。确保每个孔的中心间距为5 cm，第一排孔位于土壤水箱顶部下方2.5 cm处。传感器之间5 cm的间距可确保每个传感器均位于相邻最近传感器的采样范围之外。
- 在用作水箱底部的亚克力板上，于其中心位置钻并攻出一个½英寸直径的孔。在玻璃内侧的孔上粘贴一层网筛（网眼须比待用试验土壤更细）。在底板外侧，安装一个90°弯头，并连接带可调节阀门的软管。该阀门和软管可用于实验结束时排出水箱中的水，或用于安装恒定水头装置以维持恒定的地下水位深度。
- 使用船用级胶水或类似的耐水聚合物粘合剂，按照图1所示方式将水箱各部分粘合并密封。让粘合剂固化一天时间。
- 为将水箱抬离地面，并为90°弯头留出空间（图1），在水箱底部粘接两块额外的亚克力玻璃板，每块厚度为1.2 cm，长度为12 cm，高度为5 cm。
2. 气候控制风洞的构建与准备
- 使用宽 8.5 cm、高 26 cm 的矩形镀锌钢板风管材料，制作 215 cm 长的风洞上游段，并在风管外部包裹聚苯乙烯保温材料。
- 在风洞上游段靠近下游出口处的风管侧壁上钻一个小孔，用于插入相对湿度-温度传感器（图 2）。
图2：完整的实验装置示意图，包括土壤箱、导管系统、传感器网格（尺寸单位为厘米）。 风洞与土壤箱组合装置的完整实验设置。风洞被抬高并与其下方土壤箱表面齐平。土壤箱配备了一套传感器网络，用于测量多种地下和大气变量。网格中的圆圈表示传感器的插入位置。加热控制系统和管道内风扇分别用于调控温度和风速。皮托管用于测量风速。整个装置置于称重平台上，以便在实验过程中获得质量平衡。请注意，该示意图未按实际比例绘制。
- 在风洞上游段的反射器内沿长度方向平行安装五个陶瓷红外加热元件。将红外加热元件连接至由红外温度传感器调控的温度控制系统。
- 风洞中段由两块厚度为1.2 cm、长25 cm、高26 cm的亚克力板构成。在其中一块中段面板上钻两个直径为0.635 cm（¼英寸）的孔，用于插入温度和/或相对湿度-温度传感器，位置如图2所示。
- 使用高强度胶带将亚克力板固定在土壤箱侧壁顶部（即，尺寸为25 cm × 55 cm的面板），确保风洞与土壤箱面板之间平齐对齐。
- 风洞下游段前50 cm部分采用与步骤2.1中所述相同尺寸的矩形风管材料制作。在末端部分，将矩形风管过渡为直径15.3 cm、长度170 cm的圆形风管。在圆形风管最下游端安装镀锌钢制风门，用于调节风速，以辅助实现风速控制。
- 与步骤2.2类似，在下游矩形风管侧面靠近入口处钻一个直径为0.635 cm的孔，用于插入相对湿度-温度传感器。另在矩形风管顶部沿风洞中心线位置钻第二个直径为0.635 cm的孔。
- 在圆形风管中部（即，距离步骤2.4所述收缩段下游85 cm处）安装一个管道式风机，方向设定为将风洞下游段的空气排出。将风机与可调速控制器连接，以更精确地控制其旋转频率，从而实现对风速的精确调控。
- 使用焊接结构材料和可调节的支架单元将风洞装置抬高并固定。确保上游和下游风管的底部与土壤箱顶部平齐（图2）。
3. 传感器的安装
- 在将土壤水分和温度传感器安装到土壤箱之前，先将其分别固定在螺纹NPT外壳（直径分别为1.9 cm和0.635 cm）内，并使用防水密封胶进行密封，以防止湿气侵入。请勿使用硅酮类密封产品，因其可能干扰某些传感器内部的电子元件。将传感器固化约一周时间。
- 在安装至土壤箱前，按照Sakaki et al.12提出的双点α混合法对土壤水分传感器进行校准。
- 在将NPT外壳安装到箱体前，先在其螺纹部分缠绕生料带，以增强NPT螺纹与亚克力玻璃之间的密封效果。
- 根据步骤1.2中所述位置，共安装25个土壤水分传感器和25个温度传感器，均水平穿过箱体侧壁。在拧紧NPT接头/外壳时，同步扭转传感器电缆，避免损坏电缆内部导线。切勿过度拧紧NPT接头，以防玻璃破裂。将土壤水分传感器和温度传感器连接至各自对应的数据采集器。
- 在土壤表面距离箱体前缘分别为2.5 cm、12.5 cm和21.5 cm的位置安装3个相对湿度-温度传感器。确保传感器与土壤表面良好接触，使相对湿度读数反映的是土壤表面的环境条件，而非周围空气状态。将这些传感器连接至数据采集器。
- 为获取大气中所需的空气温度和相对湿度测量值，在风洞的自由流动区域安装相对湿度-温度传感器，利用风洞上下游段及面板上预先钻好的孔位进行布置。
- 在土壤箱正下游位置，通过风洞下游段顶部钻好的0.635 cm孔安装一个皮托管-静压管组合探头。将皮托管-静压管固定在距风洞底部13 cm的高度处，并将其连接至差压变送器。
- 校准差压变送器。皮托管-静压管测量的是动压，定义为驻点压力与静压之差。压力差由压力变送器转换为电压差。
- 在无流动条件下测量电压（此时电压应接近0），并在已知动压的流动条件下进行测量，从而建立动压与电压之间的线性关系。通过应用伯努利方程计算风速：
(1)
其中 V（m/sec）为风速，Pdynamic（Pa）为动压，ρ（kg/m3）为空气密度。 - 将使用公式(1)计算得到的流速与另一测量设备的结果进行比较。此处将皮托管-差压变送器系统与激光多普勒测速仪（LDV）测量结果进行对比，LDV的测量精度为±0.01 m/sec。
注：所用传感器及其相应采样频率的汇总见表1。有关传感器技术参数及其他信息，请参阅随附的材料/设备清单。
- 在无流动条件下测量电压（此时电压应接近0），并在已知动压的流动条件下进行测量，从而建立动压与电压之间的线性关系。通过应用伯努利方程计算风速：
| 传感器 | 传感器测量参数 | 实验装置中使用的传感器数量 | 传感器采样频率（分钟） |
| EC-5 | 土壤湿度 | 25 | 10 |
| ECT | 土壤/空气温度 | 25 | 10 |
| SH-1 | 热特性 | 1 | 10 |
| EHT | 相对湿度/温度 | 5 | 10 |
| 红外相机 | 表面温度/蒸发 | 1 | 1 |
| 数码相机 | 干燥锋面可视化 | 1 | 60 |
| 皮托管 | 风速 | 1 | 10 |
| 称重秤 | 累积蒸发量/蒸发速率 | 1 | 10 |
表1：本研究实验部分所用传感器的汇总。
4. 填装土壤箱并准备开始实验
- 在用土壤填充容器之前，先进行渗漏测试以检验其完整性。向容器中注满水，并静置 4–6 小时，确保结构或传感器未出现渗漏。
- 若发现渗漏，需排空容器，晾干过夜，然后使用原始建造时所用的同种船用胶粘剂修复渗漏处。若无渗漏产生，则排空土壤容器，并准备进行下述步骤。
- 确定安装传感器后容器的总体积。使用量筒小心地向容器中加水，记录所加入的水量。将记录的总体积换算为立方厘米，供步骤 4.5 使用。
- 获取干燥土壤以填充土壤容器。根据 Smits et al.11 中讨论的方法，单独测定所选土壤的水力和热力学性质。
- 使用土壤和去离子水小心地进行湿法填装。
- 进行湿法填装时，首先向容器中倒入约 5 cm 深的水。然后使用铲子以每次 2.5 cm 的增量，将干土缓慢加入容器的水中。记录每次添加的砂土质量，以便计算土壤填装的孔隙率。
- 每完成一层填装后，使用橡胶锤反复敲击容器壁 100–200 次，以确保整体密度均匀。敲击过程中应避免接触传感器及传感器导线。应避免使用振动装置，以防损坏敏感传感器网络。
- 完成容器填装后，将各土壤层的质量相加（见步骤 4.4），得到土壤总质量。将总质量除以土壤的容重（例如，石英砂的容重为 2.65 g/cm3），以确定砂的体积（Vs，cm3）。根据以下公式计算容器中土壤的孔隙率（η，m3/m3）：
(2)
其中（VT，m3）为步骤 4.2 中测定的空容器总体积。 - 容器完全填装后，在容器上方覆盖一层塑料薄膜（如保鲜膜），直至实验开始，以防止蒸发发生。
- 将容器放置在称重秤上，以监测累计水分损失，进而用于计算蒸发速率。
- 通过将每小时质量损失除以水的密度与蒸发表面横截面积的乘积，计算每小时蒸发速率。
5. 启动实验并开始数据采集
- 设置完成后，确定所需的培养环境条件（即 温度、风速）。确保数据记录仪和其他数据采集系统已开启，并设置为正确的采样间隔（例如，每10分钟一次。
- 启动风扇和温度控制系统。在移除土壤箱表面的塑料盖之前，使气候条件达到平衡。根据实验所需时间长度进行运行（例如，15天。
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结果
本实验旨在研究风速对裸露土壤蒸发的影响。本研究所用试验土壤的关键特性总结于表2中。开展了一系列实验，施加了不同的土壤表面边界条件（即，风速和温度）（表3）。尽管在不同风速和温度下进行了四组实验，但本文所展示的大部分实验结果均针对风速为1.22 m/sec的情况。四组实验的累积蒸发量数据均已展示。
| 压实条件 | 干体积密度 (g cm–3) | 进气压力 (cm H2O) | 残余含水量 |
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讨论
本实验方案的目的是开发一种实验装置及相关操作程序，以获取研究陆地-大气相互作用中热量和质量传递过程所需的空间和时间高分辨率数据。所述实验装置包括一个土壤箱和一个小型风洞，二者均配备了一系列传感器，用于测量关键的土壤和大气变量（例如，风速、相对湿度、土壤和空气温度以及土壤湿度）。以下是本研究中所提出方案的一些最关键组成部分。
选择土箱的尺寸和传感器的布置位置，旨在最大限度地增加所用传感器的数量，同时考虑各传感器相应的采样体积。由于每个传感器的采样体积（定义为传感器周围土壤的体积，该范围内环境条件的变化会影响传感器读数），第一排传感器位于地表以下2.5 cm处。传感器安装在NPT接头中，通过土箱侧壁水平插入，使传感器导线不接触土壤本身；所有传感器导线均位于土箱外部，以防止水分沿导线形成优先流。大量温度和土壤水分传感器网络的安装，使得能够以较高的空间分辨率确定这些变量的水平和垂直分布。
将土壤箱放置在称重秤上，可通过上述水质量平衡法确定累积的水分损失及相应的蒸发速率。随后可将这些数值与使用其他方法（如Trautz等...
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本研究由美国陆军研究办公室资助项目 W911NF-04-1-0169、工程研究与发展中心（ERDC）以及国家科学基金会资助项目 EAR-1029069 提供支持。此外，本研究还获得了科罗拉多矿业学院本科生暑期研究项目资助的支持。作者谨此感谢 Ryan Tolene 和 Paul Schulte 所做的贡献。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| EC-5 土壤水分传感器（25） | Decagon Devices Inc. Decagon.com | 40593 | 具体信息请访问：http://www.decagon.com/products/soils/volumetric-water-content-sensors/ec-5-soil-moisture-small-area-of-influence/。采样频率为每10分钟一次，精度为±3%，使用 Em50 数据记录仪采集数据 |
| ECT 土壤/空气温度传感器（19） | Decagon Devices Inc. Decagon.com | 40651 | 技术规格请访问 http://www.decagon.com/products/canopy-atmosphere/temperature/ect-air-temperature/。采样频率为每10分钟一次，精度为±0.5 °C，在5至40 °C温度范围内测量，使用 Em50 数据记录仪采集数据 |
| EHT 相对湿度与温度传感器（5） | Decagon Devices Inc. Decagon.com | N/A | 采样频率为每10分钟一次，相对湿度5%至100%范围内的精度为±3%，使用 Em50 数据记录仪采集数据。更多信息请访问 decagon.com |
| Em50 数据记录仪（10） | Decagon Devices Inc. Decagon.com | 40800 | 具体信息请访问 http://www.decagon.com/products/data-management/data-loggers/em50-digital-analog-data-logger/。该设备可连接 ECH2O Decagon 设备，从 ECT、EC-5 和 EHT 传感器中读取数据，每个数据记录仪具有5个传感器接口，以及一个通过 USB 连接到计算机的通信端口 |
| Sartorius 电子天平（1） | Sartorius Corporation | 11209-95 | Sartorius 型号 11209-95，量程 = 65 kg，分辨率 = ±1 g |
| 红外陶瓷辐射加热器（1） | Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/ | FTE 500-240 | 共需5台加热器，调节以获得合适的环境/自由流动温度 |
| 2104 温度控制系统（1） | Chromalox | 2104 | 控制加热器
|
| 红外温度传感器调节器（1） | Exergen Corporation | N/A | 监测加热器的温度 |
| [header] | |||
| 不锈钢皮托管（1） | Dwyer Instruments, Inc. http://www.dwyer-inst.com/ | Series 160 | 具体信息请访问 http://www.dwyer-inst.com/Product/%20TestEquipment/PitotTubes/Series160。传感器采样频率为每10分钟一次，必须连接差压变送器和风速计，并使用伯努利方程将采集的压力数据转换为风速。 |
| 1/2 英寸亚克力板（1） | Colorado Plastics http://www.coloradoplastics.com/ | N/A | 比热容为 1,464 J kg-1 K-1，导热系数为 0.2 W m-1 K-1，密度为 1,150 kg m-3 |
| 镀锌钢通风管道材料（1） | Home Depot | N/A | 用于构建风洞，施工中使用了圆形和矩形管道，并通过方转圆变径管连接 |
| 连接至管道风机的变频控制器（1） | Suncourt, Inc. http://www.suncourt.com/ | VS200 | 直径为15.3 cm，安装于圆形管道中 |
| 镀锌钢风门（1） | Home Depot | N/A | 用于在风洞中控制或降低风速，以获取低速数据 |
| Accusand #30/40（1） | Unimin Corporation http://www.unimin.com/ | N/A | 该沙为石英砂，含99.8%石英，颗粒形态为圆形，不均匀系数约为1.2，颗粒密度为2.66 g/cm3。 |
参考文献
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